JP5393424B2 - 鉄道車両用軸ばね - Google Patents

Description

本発明は、主軸とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心を有する外筒との間に、複数のゴム層と一又は複数の硬質隔壁とを軸心と同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部が介装されて成る鉄道車両用軸ばねに関するものである。

この種の鉄道車両用軸ばねの従来例としては、特許文献１において開示されるように、直円筒の積層ゴム構造を採るものや、特許文献２において開示される、断面形状がハ字状を呈するように傾斜した積層ゴム構造を採るもの（所謂「コニカルストッパー」とよ呼ばれる軸ばね）が知られている。鉄道車両用軸ばねは、従来のコイルバネに取って代わって普及してきており、それは鉄道車両に要求される前後、左右、上下の各動きに対する追従性に優れ、ゴムを用いることから高い減衰力が得られるからである。

鉄道車両用軸ばねにおいては、常に作用する上下方向の大なる荷重に対して各ゴム層の弾性変形を極力互いに等しくするために、上下方向視の面積が大きくなる外側のゴム層ほど上下方向長さ寸法（高さ寸法）は小となるように作られている。例えば、ゴム層が３層のものでは各ゴム層の高さ寸法は、内側ゴム層＞中間ゴム層＞外側ゴム層となる（図１参照）。

しかしながら、曲線通過等によって軸ばねに捩りが作用した場合には上下寸法に比べて水平方向寸法の長くなる外側のゴム層ほど強く受けて大きく捩れ変形するとともに、その頻度も多くなる。つまり、乗り心地に最も影響を与える上下荷重に照準を合わせた通常の設計では、外側のゴム層になるほどトータルとしての負担が大きくなって経たり易く（耐久性が劣る）なり、外側ゴム層の短い寿命が軸ばねとしての寿命になってしまうという問題がある。

それでは、外側のゴム層も上下寸法を従来よりも大きく取り、捩りに対抗できる容量を確保することが考えられるが、それでは上下荷重に対するバネ定数が大きくなってしまい、乗り心地に悪影響を及ぼすので実現は困難である。従って、良好な乗り心地と長寿命化との双方を持つ軸ばねとするには改善の余地が残されているものであった。

特開２０００−２８０９０３号公報 特開２００３−３４１５１１号公報

本発明の目的は、鋭意研究を重ねることにより、乗り心地の悪化を招くことなく耐久性を向上し得るように改善された鉄道車両用軸ばねを開発して提供する点にある。

請求項１に係る発明は、主軸１とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心Ｐを有する外筒２との間に、複数のゴム層４と一又は複数の硬質隔壁５とを前記軸心Ｐと同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部３が介装されて成る鉄道車両用軸ばねにおいて、
前記複数のゴム層４のうちの二つ以上のゴム層４どうしが、前記軸心Ｐに関する径方向で外側のゴム層４ほど前記軸心Ｐ方向の長さ寸法は小となるように、かつ、前記軸心Ｐに関する径方向で外側のゴム層４ほどバネ定数は高くなるように、互いに特性の異なるゴム材で形成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の鉄道車両用軸ばねにおいて、前記ゴム層４が、径方向で最内側の内側ゴム層４Ａ、径方向で最外側の外側ゴム層４Ｃ、及び前記内側ゴム層４Ａと前記外側ゴム層４Ｃとの径方向間に位置する中間ゴム層４Ｂとの三層で成り、前記内側ゴム層４Ａのゴム材のバネ定数よりも前記中間ゴム層４Ｂのゴム材のバネ定数が高く、かつ、前記中間ゴム層４Ｂのゴム材のバネ定数よりも前記外側ゴム層４Ｃのゴム材のバネ定数が高くなる状態に設定されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の鉄道車両用軸ばねにおいて、前記主軸１の外周面１ａ、前記弾性部３、及び前記外筒２の内周面２ａそれぞれの軸心Ｐに沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成されるとともに、前記弾性部３が前記軸心Ｐに沿う方向においては前記主軸１に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、前記外筒２が前記軸心Ｐに沿う方向においては前記弾性部３に対してその小径側に寄せて配置されることで成るすり鉢状凹部２１を有する円錐積層ゴム構造に構成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、複数のゴム層のうちの二つ以上のゴム層どうしが互いに特性の異なるゴム材で形成されるから、複数のゴム層に必要となる特性（即ち、ゴム硬度、バネ定数等）をゴム材の緒元に合わせて設定することができるようになるから、単一のゴム材から各ゴム層が形成されている従来のものに比べて、捩りに弱いゴム層の耐捩り性を上げるとか、圧縮に弱いゴム層の耐圧縮性を改善するといった具合に、製品としてのバネ定数を変えることなく改善すべき特性項目の補強をすることが可能になる。その結果、乗り心地の悪化を招くことなく耐久性を向上し得るように改善された鉄道車両用軸ばねを提供することができる。

請求項１の発明によれば、軸心に対する外側ほど捩り条件が厳しくなる使われ方に好適なバネ定数が各ゴム層に設定されることとなり、外側のゴム層の経時によるヘタリが軽減されてその耐久性が改善され、従って、ゴム層全体、つまりは鉄道車両用軸ばねとしての耐久性が向上するようになる。そして、内側のゴム層のバネ定数を下げることで外側のゴム層のバネ定数を高くしたことを相殺でき、弾性部全体、つまりは鉄道車両用軸ばねとしてのバネ定数（乗り心地）を良好な状態に維持することができる。

請求項２の発明によれば、最も使用頻度の高いゴム層が三層構造の弾性部を有する鉄道車両用軸ばねの懸架性能を維持しながらの耐久性向上が行えるとともに、請求項３のように、断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成されるコニカルストッパー構造の鉄道車両用軸ばねに適用しての性能改善が行えるものとなる。

鉄道車両用軸ばねを示す断面図 図１の鉄道車両用軸ばねの平面図 各ゴム層の材料配合及び特性の表を示す図

以下に、本発明による鉄道車両用軸ばねの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

〔実施例１〕
鉄道車両用軸ばねＡは、図１，図２に示すように、主軸１と、主軸１と互いに同一（又はほぼ同一）の縦軸心Ｐを有する外筒２と、三層のゴム層４と二層の硬質隔壁（金属環）５とを縦軸心Ｐと同心（又はほぼ同心）状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造に形成されて主軸１と外筒２との間に介装される弾性部３と、を有して構成されている。この径方向の内外に弾性部３が積層ゴム構造を採る場合、硬質隔壁５の数はゴム層４の数から１減じた値になる。

主軸１は、金属製のものであって、下拡がり円錐筒状の軸上部１Ａと、上部が円筒状を呈し下部が孔付中実円形断面を呈する軸下部１Ｂと、それらの上下間に大径状に形成されるフランジ部１Ｃと有している。この主軸１の周囲に配置される内側硬質隔壁５、外側硬質隔壁５、及び外筒２は、主軸１と同様に金属製のものであって、これらの筒、即ち内外の硬質隔壁５，５及び外筒２は上方に行くほど径が小さくなる円錐筒状に形成されている。尚、７は外側ゴム層４Ｃに設けられた肉抜き部であり、これらは無くても良い。

軸上部１Ａよりも内側硬質隔壁５がやや高い位置に、内側硬質隔壁５よりも外側硬質隔壁５がやや高い位置に、かつ、外側硬質隔壁５よりも外筒２がやや高い位置になるように縦軸心Ｐ方向に位置ズレさせた状態で配置されている。外筒２の外周部には、台車枠（図支省略）に嵌り込ませるための嵌合部６が形成されている。軸上部１Ａ、内外の硬質隔壁５，５、外筒２と、これらの間に介装される内側ゴム層４Ａ、中間ゴム層４Ｂ、外側ゴム層４Ｃとは、後述する加硫接着によって一体化される。

図１、図２に示すように、主軸１の外周面（軸上部１Ａの外周面）１ａ、弾性部３、及び外筒２の内周面２ａそれぞれの軸心Ｐに沿う方向（図１では上下方向）での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成されている。そして、弾性部３が軸心Ｐに沿う方向においては主軸１に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、外筒２が軸心Ｐに沿う方向においては弾性部３に対してその小径側に寄せて配置されることで成るすり鉢状凹部２１を有する円錐積層ゴム構造（コニカルストッパー構造）の鉄道車両用軸ばねＡに構成されている。

次に、ゴム層４について説明する。各ゴム層４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び従来例のゴム層の材料（主材料）と配合比、特性、製品（鉄道車両用軸ばね）特性を図３に示す。図３において、ばね特性（バネ定数）は、一定の圧縮荷重範囲でのバネ定数を測定したもの〔バネ定数（ΔＫ）＝荷重／変位〕であり、その単位はｋＮ／ｍｍである。また、繰り返し疲労に関しては、垂直方向に一定の振幅で繰り返し疲労試験を行い、セット性を評価したものであり、従って、数字が小さいものほど、セット性が良好ということになる。繰り返し疲労（％）は、試験前の製品厚み（Ｔｓ）から試験後の製品厚み（Ｔａ）みを減じたものを試験前の製品厚み（Ｔｓ）で除したものに１００を乗じた値、即ち、繰り返し疲労（％）＝〔（Ｔｓ−Ｔａ）／Ｔｓ〕×１００である。尚、図３に示す硬度、比重、強度、伸び、圧縮永久歪、及び疲労性の各項目は、いずれもＪＩＳで規定される試験方法によるものである。

内側ゴム層（内層ゴム）４Ａのゴム材は、図３に示すように、ＮＲ１００に対して亜鉛華５、ステアリン酸１、Ｃ．Ｂ５０、オイル５、硫黄及び促進剤はて適宜（微量）という配合比によるものである。中間ゴム層（中層ゴム）４Ｂのゴム材は、ＮＲ１００に対して亜鉛華５、ステアリン酸１、Ｃ．Ｂ（カーボン・ブラック）６０、オイル５、硫黄及び促進剤はて適宜（微量）という配合比によるものである（図３参照）。外側ゴム層（外層ゴム）４Ｃのゴム材は、ＮＲ１００に対して亜鉛華５、ステアリン酸１、Ｃ．Ｂ７０、オイル５、硫黄及び促進剤はて適宜（微量）という配合比によるものである（図３参照）。バネ定数はＣ．Ｂの量（重量部）が多い程高くなるので、内側ゴム層４Ａのバネ定数＜中間ゴム層４Ｂのバネ定数＜外側ゴム層４Ｃのバネ定数となる。

参考として従来の鉄道車両用軸ばねにける弾性部のゴム材は、図３に示すように、内中外の各ゴム層は互いに同じゴム材であって、ＮＲ１００に対して亜鉛華５、ステアリン酸１、Ｃ．Ｂ６０、オイル５、硫黄及び促進剤はて適宜（微量）という配合比によるもの、即ち、本願に言う中間ゴム層（中層ゴム）４Ｂと同じスペックである。図３において、セット性とは、圧縮永久歪のことでありその値は小さい方が望ましい。従来例の軸ばねでは互いに同一のゴム材で内中外の各ゴム層が形成されているのでセット性及び耐久性は最も過酷な条件の外側ゴム層によって決まってしまい、それらの評価は１５と△である。

それに対して本発明による軸ばねでは、捩りに対する条件が厳しくなるに合わせて、即ち外側のゴム層ほどバネ定数が高く設定できるので、各ゴム層４Ａ，４Ｂ，４Ｃのヘタリ具合を均等的にすることができる。つまり、外側ゴム層４Ｃの早期ヘタリが改善され、各ゴム層４Ａ，４Ｂ，４Ｃの経時によるヘタリ程度が揃うようになり、実質的に寿命、即ち耐久性が向上（図３の◎）するようになる。そして、外側ゴム層４Ｃのバネ定数が高くなっても、内側ゴム層４Ａのバネ定数は下がっているので、製品としてのバネ定数、つまりは乗り心地（懸架性能）は従来と変わらず良好に維持される。また、鉄道車両用軸ばねＡとしてのセット性も同様に改善され、従来の評価１５から１０に向上している(図３参照)。尚、図３の繰り返し疲労（セット性）の項における数字は相対評価を示している。

実施例１においては、三層構造のゴム層を有する軸ばねＡを例に挙げて説明したが、二層構造や四層以上のゴム層を持つものや、外側のゴム層ほど上下高さが大きくなる特殊構造の鉄道車両用軸ばねにも本発明の適用が可能である。

以上説明したように、本発明による鉄道車両用軸ばねＡにおいては、各ゴム層４Ａ，４Ｂ，４Ｃ全体に均一（均一的に）な疲労が加わるようになるので、部分的なヘタリの大小が発生し難く、従って長期に亘って安定した乗り心地や走行安定性が維持される。局部疲労が発生しない又はし難いので、全体（ゴム層４の全体）として長期間の使用に耐えるように耐久性（寿命）が向上される。それに伴い、過荷重時における安全性も向上する。

また、前後或は左右のバネ調整のため、外側ゴム層４Ｃに抜き孔７を設けるのが一般的であるが、外側ゴム層４Ｃを周方向で四分割し、前後或は左右となる位置のゴムを低反力ゴム（低強度ゴム、低バネ定数ゴム）或は高反力ゴムとすることにより、抜き孔７を省略することもできる。抜き孔７が省略できれば、上部取付孔といった台車側や車両側での対応箇所と抜き孔との位置合わせ等の関係が拘束されなくなり、組付作業（取付作業）が容易化される利点が生じる。

１ 主軸
１ａ 外周面
２ 外筒
２ａ 内周面
３ 弾性部
４ ゴム層
４Ａ 内側ゴム層
４Ｂ 中間ゴム層
４Ｃ 外側ゴム層
５ 硬質隔壁
２１ すり鉢状凹部
Ａ 鉄道車両用軸ばね

Claims (3)

1. 主軸とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心を有する外筒との間に、複数のゴム層と一又は複数の硬質隔壁とを前記軸心と同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部が介装されて成る鉄道車両用軸ばねであって、
   前記複数のゴム層のうちの二つ以上のゴム層どうしが、前記軸心に関する径方向で外側のゴム層ほど前記軸心方向の長さ寸法は小となるように、かつ、前記軸心に関する径方向で外側のゴム層ほどバネ定数は高くなるように、互いに特性の異なるゴム材で形成されている鉄道車両用軸ばね。
2. 前記ゴム層が、径方向で最内側の内側ゴム層、径方向で最外側の外側ゴム層、及び前記内側ゴム層と前記外側ゴム層との径方向間に位置する中間ゴム層との三層で成り、前記内側ゴム層のゴム材のバネ定数よりも前記中間ゴム層のゴム材のバネ定数が高く、かつ、前記中間ゴム層のゴム材のバネ定数よりも前記外側ゴム層のゴム材のバネ定数が高くなる状態に設定されている請求項１に記載の鉄道車両用軸ばね。
3. 前記主軸の外周面、前記弾性部、及び前記外筒の内周面それぞれの軸心に沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成されるとともに、前記弾性部が前記軸心に沿う方向においては前記主軸に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、前記外筒が前記軸心に沿う方向においては前記弾性部に対してその小径側に寄せて配置されることで成るすり鉢状凹部を有する円錐積層ゴム構造に構成されている請求項１又は２に記載の鉄道車両用軸ばね。

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